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船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制
第1章 绪论
1.1课题提出背景
船舶柴油机冷却水温度控制技术是轮机自动化技术的重要组成部分。轮机自动化，是指用各种自动化仪器仪表、控制元件、逻辑元件，以及计算机系统等组成的各种自动控制和监测系统。它可以对船舶机舱内动力装置的运动参数进行自动控制，对机器设备的运行状态进行监测和报警，也可以对主要机器设备进自动操作等。
轮机在运行的情况下，由于摩擦与力的相互作用，有许多机械，设备的运动部件将一部分的机械能转换为内能，产生热量。而燃烧的燃气和压缩的空气也会散发出大量的热量，为了避免受热部件的温度因为过高而影响其正常工作，或者因热负荷过大而产生热腐蚀使其损坏，必须及时而有效地将这些多余的热量散发出去。因此，冷却水系统的功用，就是对需要及时散热的机械和设备提供足够的冷却水进行冷却，以保证其在一定合适的温度范围内安全、可靠地工作。
目前，船舶柴油机冷却水温度的自动控制系统大多采用的是电子式控制方.式，使用的是模拟式调节仪表，主要以电子器件的逻辑运算输出控制信号，来驱动继电器对电动机进行转向控制，从而达到对温度的控制。从整体上看主要存在以下两个明显就缺点：
①采用的元器件比较落后，导致电路较为复杂，使用的逻辑元器件也较多，增加了备件管理和维护工作的难度;
②由于系统整体比较复杂，同时模拟仪表的实现功能的限制，因此这些温度控制器都采用了最简单的控制规律，不能提供很好的控制性能。
以上我们可以了解到传统的模拟电路控制方法已经不能满足我们日益增加的需求，因此改进温度控制系统十分重要，船舶柴油机冷却水的温度是影响柴油机工作的重要热工参数。如果冷却水温度过低，燃气中酸根与水结合，生成酸类物质，使气缸的磨损增加；如果柴油机冷却水的温度过高,这将会加快润滑油的老化,加速零件的磨损，缸套冷却水的温度控制的好坏直接影响柴油机的工作状态。船舶柴油机冷却水系统对柴油机缸套的合理冷却，将减轻缸套的磨损，精确的温度控制会有效地控制柴油机缸套的低温腐蚀、高温腐蚀并减小热应力。保持柴油机冷却水的温度在最佳的温度范围内,对于提高柴油机的动力性、减少废气的产生、减少燃料消耗量、增强柴油机工作平稳性等方面都有着重要的意义。
我们知道，单片微处理器具有高精确度、高灵敏度、高响应速度，以及耗能少、机构小、可以连续测量、自动控制、安全可靠等优点，非常适合嵌入式控制。
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同时，其逻辑控
制运算是由软件来进行的，可以容易的实现各种控制规则，甚至是比较复杂的控制算法的实现，而且不受外界的工作环境的影响，因此，基于单片机的温度控制器可以安全可靠地运行，来智能地控制冷却水的温度稳定在某一给定值，或者给定值附近，使得船舶柴油机冷却水温度测控满足现代远洋船舶的要求。
1.2船用柴油机中央冷却系统水温控制的发展历程
船舶柴油机冷却水温度控制技术，在20世纪中得到了飞速发展。其大致发展历程如下：
（1）直接作用式控制方式：
在20世纪50年代末期，船用柴油机中央冷却系统水温控制采用一种早期的反馈式控制方式—直接作用方式。其特点是，不需要外加能源，而是根据在冷却水管路中的测量元件内充注介质的压力随温度的线性变化而产生的力来驱动二通调节阀，来改变流经淡水冷却器的淡水流量和旁通淡水流量，从而进行温度调节。这种控制方式的缺点是：测量元件内充注的介质对密封性要求很高，如果造成测量元件内充注的介质泄漏，那么其本身的压力就不能随温度成比例进行变化，因而使得温度控制精度变低。工作介质的泄露也同时污染了发动机内部零件和冷却水，有可能造成发动机内部机械故障，严重时可能导致发动机损坏报废。同时，冷却水温度变化较大，对船舶柴油机的稳定运行不利。利用直接作用式的水温控制方法检修难度较大，每次检修成本较高，而且不能时刻知道水温控制系统的好坏，无法被船员所观察。在航行时如果出现泄漏将造成无法估计的损失。
（2）气动式控制方式：
在20世纪70年代末期，船用柴油机中央冷却系统水温控制采用气动式作用方式。其特点是，利用感温元件和温度变送器，把气缸冷却水温度的变化成比例地转变成气压信号的变化送至调节器，与调节器的给定信号相比较，其偏差信号经调节作用规律运算后，成为调节器输出的控制气压信号去调节温度。它也存在着以下的一些问题，例如系统对气体的密封性和压力要求同样很高，对运输和储存气体的管系密闭性要求也很高，如果控制气压信号有所损失，使得控制精度降低，效果减小。同样也无法进行人工观测。因此，这种控制方式现在也很少采用。
（3）电动式控制方式（PID）:
在20世纪80年代中期，船用柴油机中央冷却系统水温控制是采用电动式控制方式。也是目前远洋船舶上主要采用的温度控制方式。它的作用方法是，利用安装在船舶柴油机气缸冷却水进口或者出口管路中的感温元件，通常为电阻数值与温度变化在一定范围内成线性变化的热敏电阻，经分压器分压把冷却水温度成
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比例地转换为电压信号，这个测量信号与由电位器整定的给定值电压信号相比较得到偏差信号，再经过比例微分作用，输出一个控制信号并将此控制信号送至脉冲宽度调制器，将连续的控制信号变成断续的脉冲信号去调节冷却水温度。尽管此类电动控制系统的控制精度和效果可以在一定程度上满足了船舶营运者的需求，但是这并不说明这种控制方一式是完美无缺的。首先，这些控制系统的调节器采用了较为简单的控制规律，比如比例微分(PD)控制规律或者比例积分(PI)控制规律，若采用PD控制会出现静态误差，使系统长时间偏离最佳工作点运行，若采用PI控制，则对于冷却水温度这样具有较大惯性的被控对象会因为缺乏超前的控制作用而产生较大的超调量，使得系统动态特性较差，而且调节阀的开度改变以后，温度传感器不能马上反映出调节作用的结果，存在滞后，难以得到满意的控制效果。其次这种控制系统的测量和控制部分，是利用一些电子器件进行逻辑运算输出的，它的缺点就是一旦逻辑输出部分机械部件出现故障，则整个测控系统的控制能力和精度就会出现故障，其工作效果大打折扣。而冷却效果的下降，将会产生严重的后果，如船舶主柴油机气缸和活塞温度升高、润滑油随温度的升高而粘度降低造成机械运动的磨损，缩短了柴油机的使用寿命等。
（4）智能调节方式
2002年，杜玉恒提出了“船用柴油机冷却水温度的模糊控制”方法，但模糊控制在精确控制水温时效果不太理想；
2003年，“主机缸套冷却水出口温度控制方法”及“基于功率的缸套冷却水出口温度控制系统的研究”其针对缸套冷却水“惯性大，缸套冷却水出口温度经常超调”的特点，提出了在现有的传统PID反馈控制的基础上，采用“前馈”方法，引入以船舶主柴油机输出功率作为反映缸套冷却水热负荷扰动信号的前馈控制，以减小缸套冷却水出口温度的动态偏差，并利用Mat lab仿真进行了验证。仿真结果表明，这种控制方法比传统的控制方法具有更好的控制性能；
2004年吴桂涛等人提出了船用主柴油机缸套冷却水出口温度的智能控制，其将基于神经网络的模糊PID控制引入到缸套冷却水出口温度控制系统中，以实现对控制对象进行在线控制。仿真结果表明，基于神经网络的模糊PID自适应控制比传统的PID控制的控制性能更好而且前者具有适应控制环境变化的能力和自学习能力，当柴油机运行工况发生变化时仍具有很好的控制性能。还有针对船舶柴油机冷却水系统的时滞特性提出了Smith预估器与PID控制方法，并取得了较为理想的控制效果。
1.3本课题研究的主要内容
“基于单片机的船舶柴油机冷却水温度控制系统”是以现代远洋船舶上广泛
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应用的船舶中央冷却系统为研究模型，以船舶柴油机冷却水的温度测量和控制为研究对象进行的。
先来了解绝大多数远洋轮船所采用的中央冷却系统工作过程。利用船舷外的海水泵泵入海水进入中央冷却系统，来冷却低温淡水，被冷却后的低温淡水再去冷却船舶主柴油机气缸套和气缸盖的高温淡水。中央冷却系统分为两个冷却水回路：开式冷却，闭式冷却。
（1）开式冷却：
开式回路又称为低温回路，是由海水泵泵入的海水来冷却低温淡水的回路因为海水的流入流出并不是一个闭合的过程所以称为开式回路。
（2）闭式冷却：
闭式回路又称高温回路，就是由低温淡水来冷却高温淡水的回路，因为低温淡水和高温淡水的流动是一个循环利用的过程，因此又称为闭式冷却
在这种冷却系统中，由于舷外海水不再接触各种热交换器和船舶主柴油机的冷却空间，因而避免了海水引起的腐蚀，提高了设备和系统的安全可靠性以及设备使用寿命。
下图1-1为船舶中央冷却系统简化框图
图1-1 船舶中央冷却水系统简化框图
因此，我们设计的“基于单片机的船舶柴油机冷却水控制系统”课题应该重点解决以下内容：
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